Какие объекты в космосе называют черными дырами. Черная дыра – самый загадочный объект во Вселенной. Наиболее известные черные дыры
С. ТРАНКОВСКИЙ
Среди наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики академик В. Л. Гинзбург назвал вопросы, связанные с черными дырами (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1999 г.). Существование этих странных объектов было предсказано более двухсот лет назад, условия, приводящие к их образованию, точно рассчитали в конце 30-х годов XX века, а вплотную астрофизика занялась ими менее сорока лет назад. Сегодня научные журналы мира ежегодно публикуют тысячи статей, посвященных черным дырам.
Образование черной дыры может происходить тремя путями.
Так принято изображать процессы, идущие в окрестностях коллапсирующей черной дыры. С течением времени (Y) пространство (X) вокруг нее (закрашенная область) сжимается, устремляясь к сингулярности.
Гравитационное поле черной дыры вносит сильнейшие искажения в геометрию пространства.
Черная дыра, невидимая в телескоп, обнаруживает себя только по своему гравитационному воздействию.
В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица.
Рождение пары частица-античастица в лаборатории.
КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ
Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.
Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.
В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.
Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет - это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, "убежавшего" на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой #1#
где M - масса космического объекта, R - его радиус, G - гравитационная постоянная.
Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название "гравитационный радиус r g "), при котором скорость убегания равна скорости света:
Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r g < 2GM /c 2 , перестанет излучать - свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.
Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2 . 10 33 г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10 16 г/см 3 . Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.
Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.
Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r g .
Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело - звезду или планету - можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r g , образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему - станет ясно в дальнейшем).
Уже на примере знакомых нам объектов - Земли и Солнца - ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противополож но направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре "зажигается" термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком "холодно": температура там недостаточна, чтобы реакция "пошла". На это взбешенный теоретик отвечал: "Поищите местечко погорячее!".
И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядер ная реакция (другое дело, что так называемая "стандартная солнечная модель", основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому, оказалась неверной - см., например, "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 2000 г.). Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное "горючее" в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.
ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС
Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.
Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.
Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному ради
усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.
Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда.
РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР
Размер черной дыры, а точнее - радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10 8 масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.
По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются черные дыры массой порядка миллиарда (10 9) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно - 2,4 . 10 6 ±10% массы Солнца.
Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать и черные мини-дыры массой порядка 10 14 г и радиусом порядка 10 -12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму - материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене - американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?
Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале "Наука и жизнь" № 3, 2000 г.).
КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ
Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее - находить "кандидатов" на эту роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.
1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой "пустоте" находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.
2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать - там должна быть черная дыра.
3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования - пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. "Наука и жизнь" № 5, 2000 г.).
И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.
Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.
ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И "БЕЛОЙ"
Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.
Согласно представлениям квантовой механики, вакуум - не пустота, а некая "пена пространства-времени", мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны "выбросить" из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.
Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E , уменьшит свою энергию, а с энергией E - увеличит.
Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу - испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6 . 10 -8 M с /M кельвинов, где M с - масса Солнца (2 . 10 33 г), M - масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело - мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10 14 -10 30 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.
Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она "худеет", темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10 14 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни - ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии - еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.
Рассмотрите загадочные и невидимые черные дыры во Вселенной: интересные факты, исследование Эйнштейна, сверхмассивные и промежуточные типы, теория, строение.
– одни из наиболее интересных и таинственных объектов в космическом пространстве. Обладают высокой плотностью, а гравитационная сила настолько мощная, что даже свету не удается вырваться за ее пределы.
Впервые о черных дырах заговорил Альберт Эйнштейн в 1916 году, когда создал общую теорию относительности. Сам термин возник в 1967 году благодаря Джону Уилеру. А первую черную дыру «заметили» в 1971 году.
Классификация черных дыр включает три типа: черные дыры звездной массы, сверхмассивные и черные дыры средней массы. Обязательно посмотрите видео про черные дыры, чтобы узнать много интересных фактов и познакомиться с этими загадочными космическими формированиями поближе.
Интересные факты о черных дырах
- Если вы оказались внутри черной дыры, то гравитация будет вас растягивать. Но бояться не нужно, ведь вы умрете еще до того, как достигнете сингулярности. Исследования 2012 года предположили, что квантовые эффекты превращают горизонт событий в огненную стену, сделавшую из вас кучку пепла.
- Черные дыры не «всасывают». Этот процесс вызывается вакуумом, которого нет в этом образовании. Так что материал просто падает.
- Первой черной дырой стал Лебедь Х-1, найденный ракетами со счетчиками Гейгера. В 1971 году ученые получили сигнал радиоизлучения от Лебедя Х-1. Этот объект стал предметом спора между Кипом Торном и Стивеном Хокингом. Последний считал, что это не черная дыра. В 1990 году он признал свое поражение.
- Крошечные черные дыры могли появиться сразу после Большого Взрыва. Стремительно вращающееся пространство сжимало некоторые области в плотные дыры, с меньшей массивностью, чем у Солнца.
- Если звезда подойдет слишком близко, то ее может разорвать.
- По общим подсчетам, существует примерно до миллиарда звездных черных дыр с массой втрое больше солнечной.
- Если сравнивать теорию струн и классическую механику, то первая порождает больше разновидностей массивных гигантов.
Опасность черных дыр
Когда у звезды заканчивается топливо, она может запустить процесс саморазрушения. Если ее масса была втрое больше солнечной, то оставшееся ядро станет нейтронной звездой или белым карликом. Но более крупная звезда трансформируется в черную дыру.
Такие объекты маленькие, но обладают невероятной плотностью. Представьте, что перед вами объект, размером в город, но его масса в три раза больше солнечной. Это создает невероятно огромную гравитационную силу, которая притягивает пыль и газ, увеличивая ее размеры. Вы удивитесь, но в может располагаться несколько сотен миллионов звездных черных дыр.
Сверхмассивные черные дыры
Конечно, ничто во Вселенной не сравнится с устрашающими сверхмассивными черными дырами. Они превосходят солнечную массу в миллиарды раз. Полагают, что такие объекты есть практически в каждой галактике. Ученые пока не знают всех тонкостей процесса формирования. Скорее всего, они вырастают за счет накапливания массы из окружающего пыли и газа.
Возможно, они обязаны своим масштабам слиянию тысячи небольших черных дыр. Или же могло разрушиться целое звездное скопление.
Черные дыры в центрах галактик
Астрофизик Ольга Сильченко об открытии сверхмассивной черной дыры в туманности Андромеды, исследованиях Джона Корменди и темных гравитирующих телах:
Природа космических радиоисточников
Астрофизик Анатолий Засов о синхротронном излучении, черных дырах в ядрах далеких галактик и нейтральном газе:
Промежуточные черные дыры
Не так давно ученые нашли новый вид - черные дыры средней массы (промежуточные). Они могут формироваться, когда звезды в скоплении сталкиваются, поддавшись цепной реакции. В итоге, падают в центр и формируют сверхмассивную черную дыру.
В 2014 году астрономы обнаружили промежуточный тип в рукаве спиральной галактики. Их очень сложно найти, потому что могут располагаться в непредсказуемых местах.
Микрочерные дыры
Физик Эдуард Боос о безопасности БАК, рождении микрочерной дыры и понятии мембраны:
Теория черных дыр
Черные дыры - чрезвычайно массивные объекты, но охватывают сравнительно скромный объем пространства. Кроме того, обладают огромной гравитацией, не позволяя объектам (и даже свету) покинуть их территорию. Однако, напрямую увидеть их невозможно. Исследователям приходится обращаться к излучению, появляющемуся, когда черная дыра питается.
Интересно, но бывает так, что вещество, направляющееся к черной дыре, отскакивает от горизонта событий и выбрасывается наружу. При этом формируются яркие струи материала, передвигающиеся на релятивистских скоростях. Эти выбросы можно зафиксировать на больших дистанциях.
– удивительные объекты, в которых сила тяжести настолько огромна, что может сгибать свет, деформировать пространство и искажать время.
В черных дырах можно выделить три слоя: внешний и внутренний горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий черной дыры – граница, где у света пропадают все шансы на бегство. Как только частичка переходит этот рубеж, она не сможет уйти. Внутренняя область, где находится масса черной дыры, называется сингулярностью.
Если мы говорим с позиции классической механики, то ничто не может покинуть черную дыру. Но квантовая вносит свою поправку. Дело в том, что у каждой частицы есть античастица. Они обладают одинаковыми массами, но разным зарядом. Если пересеклись, то могут аннигилировать друг друга.
Когда такая пара возникает за пределами горизонта событий, то одна из них может втянуться, а вторая оттолкнется. Из-за этого горизонт способен уменьшиться, а черная дыра разрушиться. Ученые все еще пытаются изучить этот механизм.
Аккреция
Астрофизик Сергей Попов о сверхмассивных черных дырах, образовании планет и аккреции вещества в ранней Вселенной:
Наиболее известные черные дыры
Часто задаваемые вопросы о черных дырах
Если более емко, то черная дыра - определенный участок в космосе, в котором сконцентрировано такое огромное количество массы, что ни одному объекту не удается избежать гравитационного влияния. Когда речь идет о гравитации, мы полагаемся на общую теорию относительности, предложенную Альбертом Эйнштейном. Чтобы разобраться в деталях изучаемого объекта, будем двигаться поэтапно.
Давайте представим, что вы находитесь на поверхности планеты и подбрасываете булыжник. Если вы не обладаете мощью Халка, то не сможете приложить достаточно силы. Тогда камень поднимется на определенную высоту, но под давлением гравитации рухнет обратно. Если же у вас есть скрытый потенциал зеленого силача, то вы способны придать объекту достаточное ускорение, благодаря которому он полностью покинет зону гравитационного воздействия. Это называется «скорость убегания».
Если разбить на формулу, то эта скорость зависит от планетарной массы. Чем она больше, тем мощнее гравитационный захват. Скорость вылета будет полагаться на то, где именно вы находитесь: чем ближе к центру, тем проще выбраться. Скорость вылета нашей планеты – 11.2 км/с, а вот – 2.4 км/с.
Приближаемся к самому интересному. Допустим у вас есть объект с невероятной концентрацией массы, собранной в крошечном месте. В таком случае скорость убегания превышает скорость света. А мы знаем, что ничто не движется быстрее этого показателя, а значит, никто не сможет преодолеть такую силу и сбежать. Даже световому лучу это не под силу!
Еще в 18 веке Лаплас размышлял над чрезвычайной концентрацией массы. После общей теории относительности Карл Шварцшильд смог найти математическое решение для уравнения теории, чтобы описать подобный объект. Дальше свою лепту внесли Оппенгеймер, Волькофф и Снайдер (1930-е гг.). С того момента люди начали обсуждать эту тему всерьез. Стало ясно: когда у массивной звезды заканчивается топливо, она не способна противостоять силе гравитации и обязана рухнуть в черную дыру.
В теории Эйнштейна гравитация выступает проявлением кривизны в пространстве и времени. Дело в том, что обычные геометрические правила здесь не работают и массивные объекты искажают пространство-время. Черная дыра обладает причудливыми свойствами, поэтому ее искажение видно отчетливее всего. Например, у объекта есть «горизонт событий». Это поверхность сферы, отмечающая черту дыры. То есть, если вы перешагнете этот предел, то назад пути нет.
Если буквально, то это место, где скорость убегания приравнивается к световой. Вне этого места скорость убегания уступает скорости света. Но если ваша ракета способна разогнаться, то энергии хватит на побег.
Сам горизонт довольно странный с точки зрения геометрии. Если вы расположены далеко, то вам покажется, что смотрите на статическую поверхность. Но если подойти ближе, то приходит осознание, что она движется наружу со световой скоростью! Теперь понятно, почему легко войти, но так сложно сбежать. Да, это очень запутанно, ведь фактически горизонт стоит на месте, но одновременно и мчится со скоростью света. Это как в ситуации с Алисой, которой нужно было бежать максимально быстро, чтобы просто остаться на месте.
При попадании в горизонт, пространство и время переживают такое сильное искажение, что координаты начинают описывать роли радиального расстояния и времени переключения. То есть «r», отмечающая дистанцию от центра, становится временной, а за «пространственность» теперь отвечает «t». В итоге, вы не сможете перестать передвигаться с меньшим показателем r, как и не способны в обычном времени попасть в будущее. Вы придете к сингулярности, где r = 0. Можно выбрасывать ракеты, запускать двигатель на максимум, но вам не убежать.
Термин «черная дыра» придумал Джон Арчибальд Уилер. До этого их называли «остывшими звездами».
Физик Эмиль Ахмедов об изучении черных дыр, Карле Шварцшильде и гигантских черных дырах:
Существует два способа вычислить, насколько что-то велико. Можно назвать массу или какую величину занимает участок. Если брать первый критерий, то нет конкретного предела массивности черной дыры. Можно использовать любое количество, если вы способны сжать ее до необходимой плотности.
Большая часть этих образований появилась после смерти массивных звезд, поэтому можно ожидать, что их вес должен быть равнозначен. Типичная масса для такой дыры должна быть в 10 раз больше солнечной – 10 31 кг. Кроме того, в каждой галактике должна проживать центральная сверхмассивная черная дыра, чья масса превосходит солнечную в миллион раз – 10 36 кг.
Чем массивнее объект, тем больше массы охватывает. Радиус горизонта и масса прямо пропорциональны, то есть, если черная дыра весит в 10 раз больше другой, то и ее радиус в 10 раз крупнее. Радиус дыры с солнечной массивностью равняется 3 км, а если в миллион раз больше, то 3 миллиона км. Кажется, что это невероятно массивные вещи. Но не будем забывать, что для астрономии это стандартные понятия. Солнечный радиус достигает 700000 км, а у черной дыры у в 4 раза больше.
Допустим, что вам не повезло и ваш корабль неумолимо движется к сверхмассивной черной дыре. Нет смысла бороться. Вы просто выключили двигатели и идете навстречу неизбежному. Чего ожидать?
Начнем с невесомости. Вы пребываете в свободном падении, поэтому экипаж, корабль и все детали невесомы. Чем ближе подходите к центру отверстия, тем сильнее ощущаются приливные гравитационные силы. Например, ваши ноги ближе к центру, чем голова. Тогда вам начинает казаться, что вас растягивают. В итоге, вас просто разорвет на части.
Эти силы неприметны, пока вы не подойдете на удаленность в 600000 км от центра. Это уже после черты горизонта. Но мы говорим об огромном объекте. Если вы падаете в дыру с солнечной массой, то приливные силы охватили бы вас в 6000 км от центра и разорвали до того, как вы подошли к горизонту (поэтому мы отправляем вас в большую, чтобы смогли умереть уже внутри дыры, а не на подходе).
Что внутри? Не хочется разочаровывать, но ничего примечательного. Некоторые объекты могут искажаться по внешнему виду и больше ничего необычного. Даже после перехода горизонта вы будете видеть вещи вокруг себя, так как они движутся с вами.
Сколько на все это уйдет времени? Все завит от вашей удаленности. Например, вы начали с точки покоя, где сингулярность в 10 раз больше радиуса дыры. Для подхода к горизонту понадобится лишь 8 минут, а затем еще 7 секунд, чтобы войти в сингулярность. Если падаете в маленькую черную дыру, то все произойдет быстрее.
Как только перешагнете горизонт, можете стрелять ракетами, кричать и плакать. На все это у вас 7 секунд, пока не попадете в сингулярность. Но ничего уже не спасет. Поэтому просто насладитесь поездкой.
Допустим, вы обречены и падаете в дыру, а ваш друг/подруга наблюдает за этим издалека. Ну, он увидит все по-другому. Заметит, что ближе к горизонту вы замедлите свой ход. Но даже если человек просидит сотню лет, он так и не дождется, когда вы достигнете горизонта.
Попробуем объяснить. Черная дыра могла появиться из коллапсирующей звезды. Так как материал разрушается, то Кирилл (пусть будет вашим другом) видит его уменьшение, но никогда не заметит подхода к горизонту. Именно поэтому их называли «замороженными звездами», ведь кажется, будто они замерзают с определенным радиусом.
В чем же дело? Назовем это оптической иллюзией. Для формирования дыры не нужна бесконечность, как и для перехода через горизонт. По мере вашего подхода свету требуется больше времени, чтобы добраться к Кириллу. Если точнее, то излучение в реальном времени от вашего перехода зафиксируется у горизонта навечно. Вы уже давно перешагнули за линию, а Кирилл все еще наблюдает световой сигнал.
Или же можно подойти с другой стороны. Время тянется дольше возле горизонта. Например, вы обладаете супермощным кораблем. Вам удалось приблизиться к горизонту, побыть там пару минут и выбраться живым к Кириллу. Кого же вы увидите? Старика! Ведь для вас время текло намного медленнее.
Что тогда верно? Иллюзия или игра времени? Все зависит от используемой системы координат при описании черной дыры. Если полагаться на координаты Шварцшильда, то при пересечении горизонта временная координата (t) приравнивается к бесконечности. Но показатели этой системы предоставляют размытое представление того, что происходит возле самого объекта. У линии горизонта все координаты искажаются (сингулярность). Но вам можно использовать обе системы координат, поэтому два ответа имеют силу.
В реальности вы просто станете невидимкой, и Кирилл перестанет вас видеть еще до того, как пройдет много времени. Не стоит забывать о красном смещении. Вы излучаете наблюдаемый свет на определенной волне, но Кирилл увидит его на более длинной. Волны удлиняются по мере приближения к горизонту. Кроме того, не стоит забывать, что излучение происходит в определенных фотонах.
Например, в момент перехода вы отправите последний фотон. Он достигнет Кирилла в определенное конечное время (примерно час для сверхмассивной черной дыры).
Конечно, нет. Не забывайте про существование горизонта событий. Только из этой области вы не можете выбраться. Достаточно просто не приближаться к ней и чувствуйте себя спокойно. Более того, с безопасного расстояния вам этот объект будет казаться самым обычным.
Информационный парадокс Хокинга
Физик Эмиль Ахмедов о действии гравитации на электромагнитные волны, информационном парадоксе черных дыр и принципе предсказуемости в науке:
Не паникуйте, так как Солнцу никогда не трансформироваться в подобный объект, потому что ему просто не хватит массы. Тем более, что оно будет сохранять свой теперешний внешний вид еще 5 миллиардов лет. Затем перейдет к этапу красного гиганта, поглотив Меркурий, Венеру и хорошо поджарив нашу планету, а затем станет обычным белым карликом.
Но давайте предадимся фантазии. Итак, Солнце стало черной дырой. Начнем с того, что сразу нас укутает темнота и холод. Земля и прочие планеты не будут всасываться в дыру. Они продолжат вращаться вокруг нового объекта по обычным орбитам. Почему? Потому что горизонт будет достигать всего 3 км, и гравитация ничего не сможет с нами сделать.
Да. Естественно, мы не можем полагаться на видимое наблюдение, так как свету не удается вырваться. Но есть косвенные улики. Например, вы видите участок, в котором может быть черная дыра. Как это проверить? Начните с измерения массы. Если видно, что в одной области ее слишком много или она как бы незаметна, то вы на верном пути. Есть две точки поиска: галактический центр и двойные системы с рентгеновским излучением.
Таким образом, в 8 галактиках нашли массивные центральные объекты, чья масса ядер колеблется от миллиона до миллиарда солнечных. Массу вычисляют через наблюдение за скоростью вращения звезд и газа вокруг центра. Чем быстрее, тем больше должна быть масса, чтобы удержать их на орбите.
Эти массивные объекты считают черными дырами по двум причинам. Ну, больше просто нет вариантов. Нет ничего массивнее, темнее и компактнее. К тому же есть теория, что у всех активных и крупных галактиках в центре прячется такой монстр. Но все же это не 100% доказательства.
Но в пользу теории говорят две последних находки. У ближайшей активной галактики заметили систему «водяного мазера» (мощный источник микроволнового излучения) возле ядра. При помощи интерферометра ученые отобразили распределение газовых скоростей. То есть, они измерили скорость в пределах половины светового года в галактическом центре. Это помогло им понять, что внутри расположен массивный объект, чей радиус достигает половины светового года.
Вторая находка убеждает еще больше. Исследователи при помощи рентгена наткнулись на спектральную линию галактического ядра, указывающую на присутствие рядом атомов, скорость движения которых невероятно высокая (1/3 световой). Кроме того, излучение соответствовало красному смещению, что отвечает горизонту черной дыры.
Еще один класс можно найти в Млечном Пути. Это звездные черные дыры, формирующиеся после взрыва сверхновой. Если бы они существовали отдельно, то даже вблизи мы бы вряд ли ее заметили. Но нам везет, ведь большинство существуют в двойных системах. Их легко отыскать, так как черная дыра будет тянуть массу своего соседа и влиять на него гравитацией. «Вырванный» материал формирует аккреционный диск, в котором все нагревается, а значит, создает сильное излучение.
Предположим, вам удалось найти двойную систему. Как понять, что компактный объект представляет собою черную дыру? Снова обращаемся к массе. Для этого измерьте орбитальную скорость соседней звезды. Если масса невероятно огромная при таких малых размерах, то вариантов больше не остается.
Это сложный механизм. Подобную тему Стивен Хокинг затронул еще в 1970-х годах. Он говорил, что черные дыры не совсем «черные». Там присутствуют квантово-механические эффекты, заставляющие ее создавать излучение. Постепенно дыра начинает сжиматься. Скорость излучения растет с уменьшением массы, поэтому дыра излучает все больше и ускоряет процесс сжатия, пока не растворится.
Однако, это лишь теоретическая схема, ведь никто не может точно сказать, что происходит на последнем этапе. Некоторые думают, что остается небольшой, но стабильный след. Современные теории не придумали пока ничего лучше. Но сам процесс невероятен и сложен. Приходится вычислять параметры в искривленном пространстве-времени, а сами результаты не поддаются проверке в привычных условиях.
Здесь можно воспользоваться Законом сохранения энергии, но только для коротких продолжительностей. Вселенная может создавать энергию и массу с нуля, но только они должны быстро исчезать. Одно из проявлений – вакуумные флуктуации. Пары частиц и античастиц вырастают из ниоткуда, существуют определенный недолгий срок и гибнут во взаимном уничтожении. При их появлении энергетический баланс нарушается, но все восстанавливается после исчезновения. Кажется фантастикой, но этот механизм подтвержден экспериментально.
Допустим, одна из вакуумных флуктуаций действует возле горизонта черной дыры. Возможно, одна из частиц падает внутрь, а вторая убегает. Сбежавшая забирает с собою часть энергии дыры и может попасть на глаза наблюдателю. Ему покажется, что темный объект просто выпустил частицу. Но процесс повторяется, и мы видим непрерывный поток излучения из черной дыры.
Мы уже говорили, что Кириллу кажется, будто вам нужна бесконечность, чтобы перешагнуть через линию горизонта. Кроме того, упоминалось, что черные дыры испаряются через конечный временной промежуток. То есть, когда вы достигнете горизонта, дыра исчезнет?
Нет. Когда мы описывали наблюдения Кирилла, мы не говорили о процессе испарения. Но, если этот процесс присутствует, то все меняется. Ваш друг увидит, как вы перелетите через горизонт именно в момент испарения. Почему?
Над Кириллом властвует оптическая иллюзия. Излучаемому свету в горизонте событий нужно много времени, чтобы добраться к другу. Если дыра длится вечно, то свет может идти бесконечно долго, и Кирилл не дождется перехода. Но, если дыра испарилась, то свет уже ничто не остановит, и он доберется к парню в момент взрыва излучения. Но вам уже все равно, ведь вы давно погибли в сингулярности.
В формулах общей теории относительности есть интересная особенность – симметричность во времени. Например, в любом уравнении вы можете представить, что время течет назад и получите другое, но все же правильно, решение. Если применить этот принцип к черным дырам, то рождается белая дыра.
Черная дыра – определенная область, из которой ничто не может выбраться. Но второй вариант, это белая дыра, в которую ничто не может упасть. Фактически, она все отталкивает. Хотя, с математической точки зрения, все выглядит гладко, но это не доказывает их существование в природе. Скорее всего, их нет, как и способа это выяснить.
До этого момента мы говорили о классике черных дыр. Они не вращаются и лишены электрического заряда. А вот в противоположном варианте начинается самое интересное. Например, вы можете попасть внутрь, но избежать сингулярности. Более того, ее «внутренность» способна контактировать с белой дырой. То есть, вы попадете в своеобразный туннель, где черная дыра – вход, а белая – выход. Подобную комбинацию называют червоточиной.
Интересно, что белая дыра может находиться в любом месте, даже в другой Вселенной. Если уметь управлять такими червоточинами, то мы обеспечим быструю транспортировку в любую область пространства. А еще круче – возможность путешествий во времени.
Но не пакуйте рюкзак, пока не узнаете несколько моментов. К сожалению, велика вероятность, что таких формирований нет. Мы уже говорили, что белые дыры – вывод из математических формул, а не реальный и подтвержденный объект. Да и все наблюдаемые черные дыры создают падение материи и не формируют червоточин. И конечная остановка – сингулярность.
Все знают, что в космосе есть звезды, планеты, астероиды и кометы, которые можно наблюдать невооруженным взглядом или в телескоп. Также известно, что существуют особенные космические объекты – черные дыры.В черную дыру может превратиться звезда к концу своей жизни. В процессе этой трансформации звезда очень сильно сжимается, при этом ее масса сохраняется. Звезда превращается в маленький, но очень тяжелый шарик. Если предположить, что наша планета Земля станет чёрной дырой, то её диаметр в таком состоянии будет составлять всего 9 миллиметров. Но Земля не сможет превратиться в чёрную дыру, потому что в ядре планет происходят совсем другие реакции, не такие как в звёздах.
Настолько сильное сжатие и уплотнение звезды происходит от того, что под влиянием термоядерных реакций в центре звезды ее сила притяжения сильно увеличивается и начинает притягивать поверхность звезды к ее центру. Постепенно скорость, с которой звезда сжимается, увеличивается и в итоге начинает превышать скорость света. Когда звезда достигает такого состояния, она перестает светиться, потому что частицы света – кванты – не могут преодолеть силу притяжения. Звезда в таком состоянии перестаёт излучать свет, он остаётся «внутри» гравитационного радиуса – той границы, внутри которой все объекты притягиваются к поверхности звезды. Эту границу астрономы называют горизонтом событий. А за пределами этой границы сила притяжения чёрной дыры снижается. Поскольку частицы света не могут преодолеть гравитационную границу звезды, обнаружить чёрную дыру можно только по приборам, например, если по непонятным причинам космический корабль или другое тело – комета или астероид начнут менять свою траекторию движения, значит скорее всего оно попало под воздействие гравитационных сил чёрной дыры. Управляемый космический объект в такой ситуации должен срочно включать все двигатели и покидать зону опасного притяжения, а если мощности не хватит, значит он неизбежно будет поглощён чёрной дырой.
Если бы Солнце могло превратиться в черную дыру, то планеты Солнечной системы оказались бы внутри гравитационного радиуса Солнца и оно их притянуло бы и поглотило. К счастью для нас, этого не произойдет, т.к. превратиться в черную дыру могут только очень большие, массивные звезды. Солнце для этого слишком мало. В процессе эволюции Солнце скорее всего станет потухшим черным карликом. Другие черные дыры, которые есть в космосе уже сейчас, для нашей планеты и земных космических кораблей не опасны – слишком далеко от нас они находятся.
В популярном сериале "Теория большого взрыва", который можно посмотреть вы не узнаете секреты сотворения Вселенной или причины возникновения черных дыр в космосе. Главные герои увлечены наукой и работают на кафедре физики в университете. Они постоянно попадают в различные нелепые ситуации, за которыми весело смотреть.
Черная дыра является особенной областью в пространстве. Это некое скопление черной материи, способное втягивать в себя и поглощать другие объекты космоса. Явление черных дыр до сих пор не . Все имеющиеся данные - всего лишь теории и предположения ученых астрономов.
Название "черная дыра" ввел в употребление ученый ДЖ.А. Уилер в 1968 году в Принстонском университете.
Существует теория, что черные дыры в являются звездами, но необычными, наподобие нейтронных. Черная дыра - - , потому что имеет очень большую плотность свечения и не посылает абсолютно никакого излучения. Поэтому она невидима ни в инфракрасных, ни в рентгеновских, ни в радиолучах.
Эту ситуацию объяснил французский астроном П. Лаплас еще за 150 лет до открытия черных дыр в космосе. Согласно его доводам, если звезда имеет плотность, равную плотности Земли, и диаметр, превышающий диаметр Солнца в 250 раз, то она не дает лучам света распространяться по Вселенной в силу своего тяготения, поэтому и остается невидимой. Таким образом предполагается, что черные дыры являются самыми мощными излучающими объектами во Вселенной, но при этом они не имеют твердой поверхности.
Свойства черных дыр
Все предполагаемые свойства черных дыр основаны на теории относительности, выведенной в 20 веке А.Эйнштейном. Любой традиционный подход к изучению этого явления не дает никакого убедительного объяснения явлению черных дыр.
Главное свойство черной дыры - способность искривлять время и пространство. Любой движущийся объект, попавший в ее гравитационное поле, неизбежно будет втянут внутрь, т.к. при этом вокруг объекта возникает плотный гравитационный вихрь, некая воронка. При этом трансформируется и понятие времени. Ученые расчетным путем все же склоняются к выводу, что черные дыры - это не небесные тела в общепринятом понимании. Это действительно некие дыры, червоточины во времени и пространстве, способные изменять и уплотнять его.
Черная дыра - замкнутая область пространства, в которую сжато вещество и откуда ничто не может выйти, даже свет.
Согласно расчетам астрономов, при том мощном гравитационном поле, которое существует внутри черных дыр, ни один объект не сможет остаться невредимым. Его мгновенно разорвет на миллиарды кусочков еще до того, как он попадет внутрь. Однако при этом не исключается возможность обмена частицами и информацией с их помощью. А если черная дыра имеет массу, как минимум в миллиард раз превышающую массу Солнца (сверхмассивная), то теоретически возможно и передвижение объектов сквозь нее без опасности быть разорванными гравитацией.
Конечно, это только теории, ведь исследования ученых еще слишком далеки от понимания того, какие процессы и возможности скрывают черные дыры. Вполне возможно, в будущем нечто подобное может осуществиться.
January 24th, 2013
Из всех гипотетических объектов Вселенной, предсказываемых научными теориями, черные дыры производят самое жуткое впечатление. И, хотя предположения об их существовании начали высказываться почти за полтора столетия до публикации Эйнштейном общей теории относительности, убедительные свидетельства реальности их существования получены совсем недавно.
Давайте начнем с того, как общая теория относительности решает вопрос о природе гравитации. Закон всемирного тяготения Ньютона утверждает, что между двумя любыми массивными телами во Вселенной действует сила взаимного притяжения. По причине такого гравитационного притяжения Земля обращается вокруг Солнца. Общая теория относительности заставляет нас взглянуть на систему Солнце—Земля иначе. Согласно этой теории в присутствии столь массивного небесного тела, как Солнце, пространство-время как бы проминается под его тяжестью, и равномерность его ткани нарушается. Представьте себе эластичный батут, на котором лежит тяжелый шар (например, от боулинга). Натянутая ткань прогибается под его весом, создавая вокруг разрежение. Таким же образом Солнце продавливает пространство-время вокруг себя.
Согласно этой картине Земля просто катается вокруг образовавшейся воронки (за исключением того, что маленький шарик, катающийся вокруг тяжелого на батуте неизбежно будет терять скорость и по спирали приближаться к большому). И то, что мы привычно воспринимаем как силу земного притяжения в нашей повседневной жизни, также есть ни что иное, как изменение геометрии пространства-времени, а не сила в ньютоновском понимании. На сегодня более удачного объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не придумано.
А теперь представьте, что произойдет, если мы будем — в рамках предложенной картины — увеличивать и увеличивать массу тяжелого шара, не увеличивая при этом его физических размеров? Будучи абсолютно эластичной, воронка будет углубляться до тех пор, пока ее верхние края не сойдутся где-то высоко над совсем потяжелевшим шаром, и тогда он просто перестанет существовать при взгляде с поверхности. В реальной Вселенной, накопив достаточную массу и плотность материи, объект захлопывает вокруг себя пространственно-временную ловушку, ткань пространства-времени смыкается, и он теряет связь с остальной Вселенной, становясь невидимым для нее. Так возникает черная дыра.
Шварцшильд и его современники полагали, что столь странные космические объекты в природе не существуют. Сам Эйнштейн не только придерживался этой точки зрения, но и ошибочно считал, что ему удалось обосновать свое мнение математически.
В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть только звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос — существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?
В конце 30-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5-3 Ms. Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.
09.07.1911 - 13.04.2008
Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду «до упора», полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. У неподвижной дыры это точка, у вращающейся — кольцо. Кривизна пространства-времени и, следовательно, сила тяготения вблизи сингулярности стремятся к бесконечности. В конце 1967 года американский физик Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).
Важнейшее свойство черной дыры — что бы в нее ни попало, обратно оно не вернется. Это касается даже света, вот почему черные дыры и получили свое название: тело, поглощающее весь свет, падающий на него, и не испускающее собственного кажется абсолютно черным. Согласно общей теории относительности, если объект приближается к центру черной дыры на критическое расстояние — это расстояние называется радиусом Шварцшильда, — он уже никогда не сможет вернуться назад. (Немецкий астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild, 1873-1916) в последние годы своей жизни, используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, рассчитал гравитационное поле вокруг массы нулевого объема.) Для массы Солнца радиус Шварцшильда составляет 3 км, то есть, чтобы превратить наше Солнце в черную дыру, нужно уплотнить всю его массу до размера небольшого городка!
Внутри радиуса Шварцшильда теория предсказывает явления еще более странные: всё вещество черной дыры собирается в бесконечно малую точку бесконечной плотности в самом ее центре — математики называют такой объект сингулярным возмущением. При бесконечной плотности любая конечная масса материи, математически говоря, занимает нулевой пространственный объем. Происходит ли это явление реально внутри черной дыры, мы, естественно, экспериментально проверить не можем, поскольку всё попавшее внутрь радиуса Шварцшильда обратно не возвращается.
Не имея, таким образом, возможности «рассмотреть» черную дыру в традиционном смысле слова «смотреть», мы, тем не менее, можем обнаружить ее присутствие по косвенным признакам влияния ее сверхмощного и совершенно необычного гравитационного поля на материю вокруг нее.
Сверхмассивные черные дыры
В центре нашего Млечного Пути и других галактик располагается невероятно массивная черная дыра в миллионы раз тяжелее Солнца. Эти сверхмассивные черные дыры (такое название они получили) были обнаружены по наблюдениям за характером движения межзвездного газа вблизи центров галактик. Газы, судя по наблюдениям, вращаются на близком удалении от сверхмассивного объекта, и простые расчеты с использованием законов механики Ньютона показывают, что объект, притягивающий их, при мизерном диаметре обладает чудовищной массой. Так закрутить межзвездный газ в центре галактики может только черная дыра. Фактически астрофизики нашли уже десятки таких массивных черных дыр в центрах соседних с нашей галактик, и сильно подозревают, что центр любой галактики — суть черная дыра.
Черные дыры со звездной массой
Согласно нашим нынешним представлениям об эволюции звезд, когда звезда с массой, превышающей примерно 30 масс Солнца, гибнет со вспышкой сверхновой, внешняя ее оболочка разлетается, а внутренние слои стремительно обрушиваются к центру и образуют черную дыру на месте израсходовавшей запасы топлива звезды. Изолированную в межзвездном пространстве черную дыру такого происхождения выявить практически невозможно, поскольку она находится в разреженном вакууме и никак не проявляет себя в плане гравитационных взаимодействий. Однако, если такая дыра входила в состав двойной звездной системы (две горячих звезды, обращающихся по орбите вокруг их центра масс), черная дыра будет по-прежнему оказывать гравитационное воздействие на парную ей звезду. Астрономы сегодня имеют более десятка кандидатов на роль звездных систем такого рода, хотя строгих доказательств не получено в отношении ни одной из них.
В двойной системе с черной дырой в ее составе вещество «живой» звезды будет неизбежно «перетекать» в направлении черной дыры. И закручиваться высасываемое черной дырой вещество при падении в черную дыру будет по спирали, исчезая при пересечении радиуса Шварцшильда. При подходе к роковой границе, однако, засасываемое в воронку черной дыры вещество будет неизбежно уплотняться и разогреваться в силу учащения соударений между поглощаемыми дырой частицами, пока не разогреется до энергий излучения волн в рентгеновском диапазоне спектра электромагнитного излучения. Астрономы могут измерить периодичность изменения интенсивности рентгеновского излучения такого рода и вычислить, сопоставив ее с другими доступными данными, примерную массу объекта, «перетягивающего» на себя материю. Если масса объекта превышает предел Чандрасекара (1,4 массы Солнца), этот объект не может являться белым карликом, в которого суждено выродиться нашему светилу. В большинстве выявленных случаев наблюдения подобных двойных рентгеновских звезд массивным объектом является нейтронная звезда. Однако насчитано уже более десятка случаев, когда единственным разумным объяснением является присутствие в двойной звездной системе черной дыры.
Все другие типы черных дыр куда более спекулятивны и основаны исключительно на теоретических изысканиях — экспериментальных подтверждений их существования не имеется вовсе. Во-первых, это черные мини-дыры с массой, сопоставимой с массой горы и сжатой до радиуса протона. Идею об их зарождении на начальной стадии формирования Вселенной непосредственно после Большого взрыва высказал английский космолог Стивен Хокинг (см. Скрытый принцип необратимости времени). Хокинг предположил, что взрывами мини-дыр можно объяснить действительно загадочный феномен точеных вспышек гамма-излучения во Вселенной. Во-вторых, некоторые теории элементарных частиц предсказывают существование во Вселенной — на микро-уровне — настоящего решета из черных дыр, представляющих собой своего рода пену из отбросов мироздания. Диаметр таких микро-дыр предположительно составляет около 10-33 см — они в миллиарды раз мельче протона. На данный момент у нас нет каких-либо надежд на экспериментальную проверку даже самого факта существования таких черных дыр-частиц, не говоря уже о том, чтобы хоть как-то исследовать их свойства.
А что произойдет с наблюдателем, если он вдруг окажется по ту сторону гравитационного радиуса, иначе именуемого горизонтом событий. Здесь начинается самое удивительное свойство черных дыр. Не зря, говоря о черных дырах, мы всегда упоминали время, точнее пространство-время. По теории относительности Эйнштейна, чем быстрее движется тело, тем больше становится его масса, но тем медленнее начинает идти время! На малых скоростях в нормальных условиях этот эффект незаметен, но если тело (космический корабль) движется со скоростью близкой к скорости света, то масса его увеличивается, а время замедляется! При скорости тела равной скорости света, масса обращается в бесконечность, а время останавливается! Об этом говорят строгие математические формулы. Вернемся к черной дыре. Представим себе фантастическую ситуацию, когда звездолет с космонавтами на борту приближается к гравитационному радиусу или горизонту событий. Понятно, что горизонт событий назван так потому, что мы может наблюдать какие-либо события (вообще что-то наблюдать) только до этой границы. Что за этой границей мы наблюдать не в состоянии. Тем не менее, находясь внутри корабля, приближающегося к черной дыре, космонавты будут чувствовать себя, как и раньше, т.к. по их часам время будет идти «нормально». Космический корабль спокойно пересечет горизонт событий, и будет двигаться дальше. Но поскольку скорость его будет близка к скорости света, то до центра черной дыры космический корабль достигнет, буквально, за миг.
А для внешнего наблюдателя космический корабль просто остановится на горизонте событий, и будет находиться там практически вечно! Таков парадокс колоссального тяготения черных дыр. Закономерен вопрос, а останутся ли живы космонавты, уходящие в бесконечность по часам внешнего наблюдателя. Нет. И дело вовсе не в громадном тяготении, а в приливных силах, которые у столь малого и массивного тела сильно меняются на малых расстояниях. При росте космонавта 1 м 70 см приливные силы у его головы будут гораздо меньше, чем у ног и его просто разорвет уже на горизонте событий. Итак, мы в общих чертах выяснили, что такое черные дыры, но речь пока шла о черных дырах звездной массы. В настоящее время астрономам удалось обнаружить сверхмассивные черные дыры, масса которых может составлять миллиард солнц! Сверхмассивные черные дыры по свойствам не отличаются от своих меньших собратьев. Они лишь гораздо массивнее и, как правило, находятся в центрах галактик - звездных островов Вселенной. В центре Нашей Галактики (Млечный Путь) тоже имеется сверхмассивная черная дыра. Колоссальная масса таких черных дыр позволят вести их поиск не только в Нашей Галактике, но и в центрах далеких галактик, находящихся на расстоянии миллионы и миллиарды световых лет от Земли и Солнца. Европейские и американские ученые провели глобальный поиск сверхмассивных черных дыр, которые, согласно современным теоретическим выкладкам, должны находиться в центре каждой галактики.
Современные технологии позволяют выявить наличие этих коллапсаров в соседних галактиках, но обнаружить их удалось совсем немного. Значит, либо черные дыры просто скрываются в плотных газопылевых облаках в центральной части галактик, либо они находятся в более отдаленных уголках Вселенной. Итак, черные дыры можно обнаружить по рентгеновскому излучению, испускаемому во время аккреции вещества на них, и чтобы произвести перепись подобных источников, в околоземное комическое пространство были запущены спутники с рентгеновскими телескопами на борту. Занимаясь поиском источников Х-лучей, космические обсерватории «Чандра» (Chandra) и «Росси» (Rossi) обнаружили, что небо заполнено фоновым рентгеновским излучением, и является в миллионы раз более ярким, чем в видимых лучах. Значительная часть этого фонового рентгеновского излучения неба должна исходить от черных дыр. Обычно в астрономии говорят о трех типах черных дыр. Первый — черные дыры звездных масс (примерно 10 масс Солнца). Они образуются из массивных звезд, когда в тех заканчивается термоядерное горючее. Второй — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик (массы от миллиона до миллиардов солнечных). И наконец, первичные черные дыры, образовавшиеся в начале жизни Вселенной, массы которых невелики (порядка массы крупного астероида). Таким образом, большой диапазон возможных масс черных дыр остается незаполненным. Но где эти дыры? Заполняя пространство рентгеновскими лучами, они, тем не менее, не желают показывать свое истинное «лицо». Но чтобы построить четкую теорию связи фонового рентгеновского излучения с черными дырами, необходимо знать их количество. На данный момент космическим телескопам удалось обнаружить лишь небольшое количество сверхмассивных черных дыр, существование которых можно считать доказанным. Косвенные признаки позволяют довести количество наблюдаемых черных дыр, ответственных за фоновое излучение, до 15%. Приходится предполагать, что остальные сверхмассивные черные дыры просто прячутся за толстым слоем пылевых облаков, которые пропускают только рентгеновские лучи высокой энергии или же находятся слишком далеко для обнаружения современными средствами наблюдений.
Сверхмассивная черная дыра (окрестности) в центре галактики M87 (рентгеновское изображение). Виден выброс (джет) от горизонта событий. Изображение с сайта www.college.ru/astronomy
Поиск скрытых черных дыр — одна из главных задач современной рентгеновской астрономии. Последние прорывы в этой области, связанные с исследованиями при помощи телескопов «Чандра» и «Росси», тем не менее охватывают лишь низкоэнергетический диапазон рентгеновского излучения — приблизительно 2000-20 000 электрон-вольт (для сравнения, энергия оптического излучения — около 2 электрон-вольт). Существенные поправки в эти исследования может внести европейский космический телескоп «Интеграл» (Integral), который способен проникнуть в еще недостаточно изученную область рентгеновского излучения с энергией 20 000-300 000 электрон-вольт. Важность изучения этого типа рентгеновских лучей состоит в том, что хотя рентгеновский фон неба имеет низкую энергетику, но на этом фоне проявляются множественные пики (точки) излучения с энергией около 30 000 электрон-вольт. Ученые еще только приоткрывают завесу тайны того, что порождает эти пики, а «Интеграл» — первый достаточно чувствительный телескоп, способный найти подобные источники рентгеновских лучей. По предположению астрономов, лучи высокой энергии порождают так называемые Комптон-объекты (Compton-thick), то есть сверхмассивные черные дыры, окутанные пылевой оболочкой. Именно Комптон-объекты ответственны за пики рентгеновского излучения в 30 000 электрон-вольт на поле фонового излучения.
Но, продолжая исследования, ученые пришли к выводу, что Комптон-объекты составляют лишь 10% от того числа черных дыр, которые должны создавать пики высоких энергий. Это — серьезное препятствие для дальнейшего развития теории. Значит, недостающие рентгеновские лучи поставляют не Compton-thick, а обычные сверхмассивные черные дыры? Тогда как быть с пылевыми завесами для рентгеновских лучей низкой энергии.? Ответ, похоже, кроется в том, что многие черные дыры (Комптон-объекты) имели достаточно времени, чтобы поглотить весь газ и пыль, которые окутывали их, но до этого имели возможность заявить о себе рентгеновским излучением высокой энергии. После поглощения всего вещества такие черные дыры уже оказались неспособными генерировать рентгеновское излучение на горизонте событий. Становится понятно, почему эти черные дыры нельзя обнаружить, и появляется возможность отнести недостающие источники фонового излучения на их счет, так как хотя черная дыра уже не излучает, но ранее созданное ей излучение продолжает путешествие по Вселенной. Тем не менее, вполне возможно, что недостающие черные дыры более скрыты, чем предполагают астрономы, то есть то, что мы не их видим, вовсе не значит, что их нет. Просто пока у нас не хватает мощности средств наблюдений, чтобы увидеть их. Тем временем ученые из NASA планируют расширить диапазон поиска скрытых черных дыр еще дальше во Вселенную. Именно там находится подводная часть айсберга, считают они. В течение нескольких месяцев исследования будут проводиться в рамках миссии «Свифт» (Swift). Проникновение в глубокую Вселенную позволит обнаружить прячущиеся черные дыры, найти недостающее звено для фонового излучения и пролить свет на их активность в раннюю эпоху Вселенной.
Некоторые черные дыры считаются более активными, чем их спокойные соседи. Активные черные дыры поглощают окружающее вещество, а если в полет тяготения попадет «зазевавшаяся» звезда, пролетающая мимо, то она непременно будет «съедена» самым варварским способом (разорванная в клочья). Поглощаемое вещество, падая на черную дыру, нагревается до огромных температур, и испытывает вспышку в гамма, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне. В центре Млечного Пути так же находится сверхмассивная черная дыра, но ее труднее изучать, чем дыры в соседних или даже далеких галактиках. Это связано с плотной стеной газа и пыли, встающей на пути центру Нашей Галактики, ведь Солнечная система находится почти на краю галактического диска. Поэтому наблюдения активности черных дыр гораздо эффективней у тех галактик, ядро которых хорошо просматривается. При наблюдении одной из далеких галактик, расположенной в созвездии Волопаса на расстоянии 4-х миллиардов световых лет, астрономам впервые удалось отследить от начала и почти до конца процесс поглощения звезды супермассивной черной дырой. В течение тысяч лет этот гигантский коллапсар тихо-мирно покоился в центре безымянной эллиптической галактики, пока одна из звезд не осмелилась приблизиться к ней достаточно близко.
Мощная гравитация черной дыры разорвала звезду на части. Сгустки вещества начали падать на черную дыру и при достижении горизонта событий, ярко вспыхивать в ультрафиолетовом диапазоне. Эти вспышки и зафиксировал новый космический телескоп NASA Galaxy Evolution Explorer, изучающий небо в ультрафиолете. Телескоп и сегодня продолжает наблюдать за поведением отличившегося объекта, т.к. трапеза черной дыры еще не закончилась, а остатки звезды продолжают падать в бездну времени и пространства. Наблюдения таких процессов, в конце концов, помогут лучше понять, как черные дыры развиваются вместе с их родительскими галактиками (или, наоборот, галактики развиваются с родительской черной дырой). Более ранние наблюдения показывают, что подобные эксцессы не редкость во Вселенной. Ученые подсчитали, что в среднем звезда поглощается сверхмассивной черной дырой типичной галактики один раз в 10000 лет, но поскольку галактик большое количество, то наблюдать поглощения звезд можно гораздо чаще.
источник
